三言两语让你理解相对论

  作者：天机佬5 

理解相对论的途径：光速不变——狭义相对论——等效原理——广义相对论——时空弯曲。

    一、光速不变

    狭义相对论很短，只有几页。它要表达的意思更短，只有一句话：不管观察者如何运动，被观察的光速不变。从这句看似简单的话可以得出一些非常奇妙的结论，这些结论严重违背了我们的日常经验，但现在都被证明是正确的。

    假设一列火车以时速300公里往北跑，一辆汽车以时速150公里也往北跑，汽车里的人会发现，火车的速度是每小时150公里。结论就是：物体运动的速度不仅取决于他自身的速度，也取决于观察者的运动速度。

    这个结论只适用于低速运动的物体（比如火车、比如地球的运动等），一旦速度加快到光速（每秒三十万公里）或者接近光速，这个日常经验就失效了，因为大量精确的实验验证了：光速是不变的。也就是说，光速是个固定值，是个常数，它不随着观察者的运动而改变。

    再举例：假设一束光以每秒30万公里往北运动，一艘宇宙飞船以每秒15万公里也往北运动，宇宙飞船里面的人会发现这束光多快呢？照我们的日常经验来看，这束光的速度应该是每秒钟15万公里。

错！宇宙飞船里面的人会发现，这束光的速度仍然是每秒钟30万公里。

    二、狭义相对论

举例：假设一束光以每秒30万公里往北运动，一艘宇宙飞船以每秒15万公里也往北运动，在地球上静止不动的人看来，一秒钟后，宇宙飞船距离那束光15万公里。记住：是1秒钟后！

    但是，宇宙飞船里面的人会感觉这段时间是多长呢？

现在的已知条件是：宇宙飞船距离那束光15万公里，光速是每秒钟30万公里。则：

    15万公里/（除以）时间=30万公里/（除以）1秒钟

    则：时间等于0.5秒

    也就是说，地球上的人过去了一秒钟，以时速15万公里运动的人会感觉时间只过去了半秒钟。

    结论：速度可以改变时间。

     你运动的越快，时间会过得越慢。当你以光速运动时，时间就会静止。

    再举例：博尔特以每秒10米参加百米赛跑，旁边为他加油的人过去1秒钟后，博尔特只感觉过去了三十万分之299990秒，也就是0.99996667秒。百米赛跑结束后，博尔特比我们年轻了0.0003333秒。

    三、等效原理

    假设我们坐在一艘船里，当船匀速行驶的时候，我们不会感觉到船在动。同理，地球以每秒30公里绕太阳公转，并且以每秒500米自转，我们也感觉不到地球在动。

    现在假设我们在一部电梯里头，当电梯均匀加速往上走的时候，我们也不会感觉到电梯在动，我们只会感觉到有一股力在把我们往下拉，就像地球的质量把我们固定在地表不让我们脱离地球那样。

    爱因斯坦由此推断，速度和质量等效，它们在拉慢时间方面起的作用是一样的。（当然，这方面有个很经典的逻辑推理过程，我就不详述了）

    结论：不仅速度可以改变时空，质量也可以改变时空。

    四、广义相对论

    质量可以改变时空，把时空拉弯；而且质量越大，时空被拉弯得越厉害。就像速度越快，时间流逝得越慢那样。比如太阳就拉弯了时空，这很像我们在床上放了一个铅球，从而把海绵垫子压出一个坑那样。

    爱因斯坦由此得出大胆的结论：引力并不是一种力，实际上它根本就不存在。我们平时看到的地球和行星绕太阳运动的现象，并不是太阳在吸引着它们转动，而是太阳拉弯了时空，地球和行星不得不沿着弯曲的时空转动。

    五、弯曲时空

    广义相对论有些结论照样超出了我们的日常经验，但后来被一一证实是正确的。

    1、恒星的光线经过太阳时，因为太阳拉弯了时空，恒星的光线应该有一个折角，应该向内弯曲。

这个效应很难观察到，因为我们只有望向太阳时，才会捕捉到那束恒星射过来的光。但太阳光那么强烈，一定会把那束光掩盖住。不过，发生日全食的时候，太阳光会被遮住，正好可以让我们验证。事实证明，爱因斯坦是正确的。

    2、引力波。

    两个大质量的天体（比如黑洞）互相碰撞的时候，分别被它们拉弯的时空也会碰撞，从而会形成时空涟漪，逐渐向四周扩散。这就像两粒石子投进平静的水面，形成了两个不断扩散的水波，它们碰撞后的涟漪也会向四周扩散那样。幸运的是，2017年我们的科学家捕捉到了这些时空涟漪。

    3、导航卫星绕地球转动时，卫星上携带的时钟比地面上的时钟快。

    人造卫星运动速度很快（线速度比地面物体大），时间应该会比地面慢7微秒；但是人造卫星所处的轨道受到的引力又比地面小，所以时间应该比地面快45微秒。两种效应同时存在，相互抵消，因此卫星比地面上的时钟快38微秒。

    终于写完了，长出了一口气。本来不想费这劲，但是一念既生，而且答应人家，只好勉力而为。